| [行业技术文章]电能质量的性能指标与改善方法 |
| 更新时间：2014-11-01 发布：www.1024sj.com |
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摘要：介绍了电能的相关概念和术语，并对其指标进行了分类，指出分歧的指标有分歧的界说和运用领域；重点就国家已公布的六个电能尺度的主要内容作了分析；并连系现实论述电能的几种改善方式与措施；无源滤波器、有源滤波器、静止型无功抵偿装配，介绍了它们的基本组成和原理，这些方式可以有用地解决稳态时的电压问题；文章还就电能技术的改良与提高，提出系统化综合抵偿技术是解决电能问题的“治本”途径，以解决动态电能问题。得出结论：运用FACS和电力新技术对电能进行系统地综合抵偿，将是电能问题研究与开发的标的目的和有用解决途径。
关头词：电能；SVC；动态电能；综合抵偿
1电能概念
电能包括四个方面的相关术语和概念：电压(Voltagequality)即用现实电压与额定电压间的误差(误差含电压幅值，波形和相位的误差)，反映供电企向用户供给的电力是否及格；电流(Currentquality)即对用户取用电流提出恒定频率、正弦波形要求，并使电流波形与供电电压同相位，以保证系统以高功率因数运行，这个界说有助于电网电能的改善，并下降网损；供电(qualityofsupply)包括技术寄义和非技术寄义两个方面：技术寄义有电压和供电靠得住性；非技术寄义是指服务(qualityofservice)包括供电企对用户投诉的反应速度和电力价格等；用电(qualityofconsumption)包括电流和非技术寄义，如用户是否按时、如数缴纳电费等，它反映供用双方相互作用与影响用电方的责任和义务。
一般地，电能的界说：致使用户装备故障或不能正常工作的电压、电流或频率误差。这个界说简单了了，归纳综合了电能问题的成因和后果。随着基于计较机系统的控制装备与电子装配的普遍运用，电力系统中用电负荷结构发生改变，即变频装配、电弧炉炼钢、电气化铁道等非线性、冲击性负荷造成对电能的污染与破坏，而电能作为商品，人们会对电能提出更高的要求，电能已逐渐成为全社会配合关注的问题，有关电能的问题已成为电工领域的前沿性课题，有需要对其相关指标与改善措施作计议和分析。
2电能指标
电能指标是电能各个方面的具体描写，分歧的指标有分歧的界说，参考IEC尺度、从电磁现象及相互作用和影响角度斟酌给出的引发干扰的基本现象分类以下：
(1)低频传导现象：谐波、间谐波、电压波动、电压与电流不服衡，电压暂降与短时断电，电网频率变化，低频感应电压，交流网络中的直流；
(2)低频辐射现象：磁场、电场；
(3)高频传导现象：感应接连波电压与电流，单向瞬态、振荡瞬态；
(4)高频辐射现象：磁场、电场、电磁场(接连波、瞬态)；
(5)静电放电现象。
对于以上电力系统中的电磁现象，稳态现象可以哄骗幅值、频率、频谱、调制、缺口深度和面积来描写，非稳态现象可哄骗上升率、幅值、相位移、延续时间、频谱、频率、发生率、能强度等描写。
保障电能既是电力企的责任，供电企应保证供给用户的供电合适国家尺度；同时也是用户(拥有干扰性负荷)应尽的义务，即用户用电不得风险供电；平安用电；对各类电能问题应接纳有用的措施加以抑制。
电能指标国内外年夜多取95几率值作为衡依据，并需指明监测点，这些指标特点也对用电装备性能提出了响应的要求。即电气装备不仅应能在划定的尺度值之内正常运行，而且应具有承受短时超标运行的能力。
3电能尺度
综合新公布的电磁兼容国家尺度和蓬勃国家的相关尺度，中低压电能尺度分5年夜类13个指标。
(1)频率误差：包括在互联电网和孤立电网中的两种；
(2)电压幅值：慢速电压变化(即电压误差)；快速电压变化(电压波动和闪变)；电压暂降(是由于系统故障或干扰造成用户电压短时间(10ms～1min)内下降到90的额定值以下，然后又恢复到正常水平，会使用户的次品率增年夜或生产搁浅)；短时断电(又称电压中断，是由于系统故障跳闸后造成用户电压完全损失(<1Un),延续时间>3min，电压中断使用户生产搁浅，甚至紊乱)；长时断电；暂时工频过电压；瞬态过电压；
(3)电压不服衡；
(4)电压波形：谐波电压；间谐波电压；(由较年夜的波动或冲击性非线性负荷引发，如年夜功率的交一交变频，间谐波的频率不是工频的整数倍，但其风险同等于整数次谐波)。
(5)旌旗灯号电压(在电力传输线上的高频旌旗灯号，用于通讯和控制)
我国迄今为止已公布了6项电能指标的国标，概述以下：
3.1电压允许误差
用电装备的运行指标和额定寿命是对其额定电压而言的。当其端子上泛起电压误差时，其运行参数和寿命将遭到影响，影响水平视误差的年夜小、延续的时间和装备状态而异，电压误差计较式以下：
电压误差()=(现实电压-额定电压)/额定电压×100(1)
《电能供电电压允许误差》(GB12325-1990)划定电力系统在正常运行条件下，用户受电端供电电压的允许误差为：
(1)35kV及以上供电和对电压有特殊要求的用户为额定电压的正负误差尽对值之和不跨越10；
(2)10kV及以下高压供电和低压三相用户为额定电压的 7～-7；
(3)220V低压单相用户为额定电压的 7～-10。
衡点为供用电产权分界处或电能计点。
为了保证用电装备的正常运行，在综合斟酌了装备制造和电网建设的经济合理性后，对各类用户装备划定了如上的允许误差值，此值为工企供配电系统设计提供了依据。
在工企中，改善电压误差的主要措施有三：
(1)就地进行无功功率抵偿，实时调整抵偿，无功负荷的变化在电网各级系统中均发生电压误差，它是发生电压误差的源，是以，就地进行无功功率抵偿，实时调整抵偿，从源上解决问题，是有用的措施。
(2)调整同步电念头的励磁电流。在铭牌划定值的范围内适当调整同步电念头的励磁电流，使其超前或滞后运行，就能发生超前或滞后的无功功率，从而到达改善网络负荷的功率因数和调整电压误差的目的。
(3)采用有载调压变压器。从整体上斟酌无功负荷只宜抵偿到功率因数为0.90～0.95，依然有一部门变化无功负荷要电网供给而发生电压误差，这就需要分区采用一些有用的法子来解决，采用有载调压变压器就是有用而经济的法子。
3.2公用电网谐波
谐波(armonic)即对周期性的变流进行傅里叶级数分化，获得频率为年夜于1的整数倍基波频率的份，它是由电网中非线性负荷而发生的。
《电能公用电网谐波》(GB/14529-1993)中划定了各电压品级的总谐波畸变率，各单次奇次电压含有率和各单次偶次电压含有率的限制值，详见表1。
该尺度还划定了电网公共毗连点的谐波电流(2～25次)注进的允许值；而且统一公共毗连点的每一个用户向电网注进的谐波电流允许值按此用户在该点的协议容与其公共毗连点的供电装备容之比进行分配，以体现供配电的公正性。
3.3电压波动和闪变
电压波动(Fluctuation)即电压方均根值一系列的变更或接连的改变；闪变(Flick)即灯光照度不稳定酿成的视感，是由波动负荷，如电弧炉、轧机、电弧焊机等引发的。
《电能电压波动和闪变》(GB12326-2000)是在原来尺度GB12326-1990的根蒂根基上，参考了IEC电磁兼容(EMC)尺度IEC6100-3-7等修订而成的，适用于由波动负荷引发的公共毗连点电压的快速变更及由此可强人对灯闪较着感受的场所，该尺度划定了各级电压下的闪变限制值，见表2。
表2中的括号内的数值仅适用于公共毗连点(PCC)毗连的所有用户为同电压品级的用户场所，Pst为短时闪变值，即衡短时间(若干分钟)内闪变强弱的一个统计值；Plt为长时闪变值，它由Pst推算出，反映出长时间(若干小时)内闪变强弱的一个统计值。
3.4三相电压不服衡
《电能三相电压允许不服衡度》(GB/15543-1995)适用于交流额定频率为50z电力系统正常运行方式下由于负序份而引发的PCC毗连点的电压不服衡，该尺度划定：电力系统公共毗连点正常运行方式下不服衡度允许值为2，短时不得跨越4，每一个用户不得跨越1.3。
而且该尺度还诠释：不服衡度允许值指的是在电力系统正常运行的小方式下负荷所引发的电压不服衡度为年夜的生产(运行)周期中的实测值，例如炼钢电弧炉应在融化期丈等。在肯定三相电压允许不服衡指标时，该尺度划定用95几率值作为衡值。即正常运行方式下不服衡度允许值，对于波动性较小的场所，应和现实丈的五次接近数值的算术平均值对比；对于波动性较年夜的场所，应和现实丈的95的几率值对比；以判断是否及格。其短时允许值是指任什么时候刻均不能跨越的限制值，以保证庇护和自动装配的准确动作。
3.5电网频率
《电能电力系统频率允许误差》(GB/15945-1995)中划定：电力系统频率误差允许值为0.2z，当系统容较年夜时，误差值可放宽到 0.5z～-0.5z，尺度中并没有说明系统容年夜小的界限，而在《全国供用电划定规矩》中有划定：“供电局供电频率的允许误差：电网容在3GW及以下者为0.2z；电网容在3GW以上者为0.5z”。现实运行中，我国各跨省电力系统频率都连结在 0.1z～-0.1z的范围内，这点在电网中有保障。
3.6暂时过电压和瞬态过电压
由于开关操作或雷击等缘由引发，暂时过电压与瞬态过电压是直接危及电力装备平安运行的重要缘由，以往只是对电器装备的耐压水平进行考核，而对电网中现实发生的过电压水平则无限制。电网的过电压水平也是电能的一个重要指标。
《电能暂时过电压和瞬态过电压》GB/18481-2001尺度主要凭据GB311.1，按过电压的波形特点分为两年夜类，由于是过电压波形，幅值和延续时间决议了对装备尽缘和庇护装配的影响。“暂时过电压”是指其频率为工频或某谐波频率，且在其延续时间范围内无衰减或衰减慢的过电压；“瞬态过电压”为振荡的或非振荡的，凡是衰减很快，延续时间只有几毫秒且为缓波前的(例如一些操作过电压)或几十个微秒且为快波前的(如雷电过电压)的过电压。虽然“操作过电压”，“雷电过电压”凡是划分由操作(或故障)及雷电放电所引发，但其波形特征未必总是如斯。例如：当变压器一侧有雷电波作用时，经绕组间耦合的电感性传递过电压，会有接近于操作过电压的缓波前；而当单相接地时，依照相间的电磁耦合，可在正常相上发生接近于雷电过电压的的快波前。是以，本尺度中所谓的“操作”、“雷电”过电压是指可划分用缓波前的操作冲击和快波前的雷电冲击来代表的过电压(见表3)。
4电能污染的治理
4.1治理的根蒂根基性工作
首先要掌握供电网络运行状态，对电能展开实时监测，以掌握其动态；第二是分析诊断其变化，即在具体分析电能数据的根蒂根基上，哄骗仿真软件对电网结构的固有谐振特征进行计较与分析，破除子虚的谐波干扰；第三是展开系统的合理设计和改造，变电站的设计和投运和新的电力用户投运之前都要进行谐波源负荷及电能要求等方面的技术咨询，线路网络改造和建设也要连系运行负荷的特点和措施，以下降线损，下降装备损失事故，后才是展开滤波装配或无功抵偿装配的研制、调试和现场测试，以领会治理后的效果，并总结经验。
4.2SVC装配
近些年来成长起来的SVC装配是一种快速调理无功功率的装配，已成功地用于电力、冶金、采矿和电气化铁道等冲击性负荷的抵偿，它可以使所需无功功率作随机调整，从而连结在非线性、冲击性负荷毗连点的系统电压水平的恒定。
式(2)中Qi、QD、QL、QC划分为：系统公共毗连点的无功功率、负荷所需的无功功率、可调(可控)电抗器吸收的无功功率、电容器抵偿装配发出的无功功率，单元均为kvar。
当负荷发生冲击无功ΔQD时，将引发
其中ΔQC=0，欲连结Qi不变，即ΔQi=0，则ΔQD=-ΔQL，即SVC装配中感性无功功率随冲击负荷无功功率作随机调整，此时电压水平能连结恒定不变。
SVC由可控支路和固定(或可变)电容器支路并联而成，主要有四种型式：
(1)可控硅阀控制空芯电抗器型(称CR型)SVC，它用可控硅阀控制线性电抗器实现快速接连的无功功率调理，它具有反应时间快(5～20ms)、运行靠得住、无级抵偿、分相调理，能平衡有功，适用范围广，价格廉价等点。CR装配还能实现分相控制，有较好的抑制不合错误称负荷的能力，因而在电弧炉系统中采用普遍，但这类装配采用了进步前辈的电子和光导纤维技术，对维护人员要门培训提高维护水平。
(2)可控硅阀控制高阻抗变压器型(C型)，点与CR型差不多，但高阻抗变压器制造复杂，谐波份也略年夜一些。由于有油，要求一级防火，只宜安插在一层平面或户外，容在30Mvar以上时值格较贵，不能获得普遍采用。
(3)可控硅开关控制电容器型(SC)：分相调理、直接抵偿、装配自己不发生谐波，消耗小，可是它是有级调理，综合价格比力高。
(4)自饱和电抗器型(SSR型)：维护较简单，运行靠得住，过载能力强，响应速度快，下降闪变效果好，但其噪音年夜，原材料消耗年夜，抵偿不合错误称电炉负荷自身发生较年夜谐波电流，无平衡有功负荷的能力。
4.3无源滤波装配
该装配由电容器、电抗器，有时还包括电阻器等无源元件组成，以对某次谐波或其以上次谐波形成低阻抗通路，以到达抑制高次谐波的作用；由于SVC的调理范围要由感性区扩年夜到容性区，所以滤波器与动态控制的电抗器一起并联，这样既知足无功抵偿、改善功率因数，又能消除高次谐波的影响。
上普遍使用的滤波器种类有：各阶次单调谐滤波器、双调谐滤波器、二阶宽颇带与三阶宽频带高通滤波器等。
1)单调谐滤波器：一阶单调谐滤波器的点是滤波效果好，结构简单；错误谬误是电能消耗比力年夜，但随着品因数的提高而削减，同时又随谐波次数的削减而增加，而电炉正好是低次谐波，主要是2～7次，是以，基波消耗较年夜。二阶单调谐滤波器当品因数在50以下时，基波消耗可削减20～50，属节能型，滤波效果等效。三阶单调谐滤波器是消耗小的滤波器，但组成复杂些，投资也高些，用于电弧炉系统中，2次滤波器选用三阶滤波器为好，其它次选用二阶单调谐滤波器。
2)高通(宽频带)滤波器，一般用于某次及以上次的谐波抑制。当在电弧炉等非线性负荷系统中采用时，对5次以上起滤波作用时，经由过程参数调整，可形成该滤波器回路对5次及以上次谐波的低阻抗通路。
4.4有源滤波器
虽然无源滤波用具有投资少、效率高、结构简单及维护利便等点，在现阶段普遍用于配电网中，但由于滤波器特征受系统参数影响年夜，只能消除特定的几回谐波，而对某些次谐波会发生放年夜作用，甚至谐振现象等身分，随着电力电子技术的成长，人们将滤波研究标的目的慢慢转向有源滤波器(ActivePowerFliter,缩写为APF)。
APF即哄骗可控的功率半导体器件向电网注进与谐波源电流幅值相等、相位相反的电流，使电源的总谐波电流为零，到达实时抵偿谐波电流的目的。它与无源滤波器相比，有以下特点
a.不仅能抵偿各次谐波，还可抑制闪变，抵偿无功，有一机多能的特点，在性价比上较为合理；
b.滤波特征不受系统阻抗等的影响，可消除与系统阻抗发生谐振的危险：
c.具有自顺应功能，可自动跟踪抵偿变化着的谐波，即具有高度可控性和快速响应性等特点。
4.5系统化综合抵偿技术
近段时间提出的系统化综合抵偿技术是解决电能问题的“治本”途径。对于稳态时的电压问题有许多成熟的措施加以解决；但对于动态电能问题，依靠传统的无功抵偿和常规的滤波装配则不能有用地解决，由于诸如电压跌落(sags)、浪涌(surge)、电压脉冲(impulse)与瞬时供电中断(outage)这类电能问题延续的时间很短、变化很快，而且有的电能问题还陪伴着部门甚至全数的有功损失等情形。
作为FACS(基于电力电子技术的灵活交流输电系统)技术与配电系统运用的延长—DFACS技术(又称Custompower技术)已成为改善电能的有力工具，该技术的焦点器件IGC，它比GO具有更快的开关频率，而且关断容已到达一定例模，是以DFACS装配具有更快的响应特征。今朝DFACS装配主要有：动态电压恢复器(DVR)、配电系统用静止无功抵偿器(D—SACOM)、固态切换开关(SSS)等。
SACOM在SVC装配根蒂根基上，克服了由于呈恒阻抗特征，使得在电压低时，没法提供所需的无功支持，应付突发事务的能力较弱；而且占地面积年夜，过的SVC易引发系统振荡的弊端，SACOM的无功电流输出可在很年夜电压变化范围内恒定，在电压低时仍能提供较强的无功支持，而且可从感性到容性全范围内接连调理，使得其无功输出相当于同容SVC的1.4～2倍；因SACOM的灵活调压，还可以年夜年夜削减变压器分接头的切换次数，从而削减分接头故障次数，另外，SACOM还可以抑制电压闪变，提高系统暂态稳定水平，连系我国的国情和已有的技术，成长SACOM应是解决我国电压稳定问题的有用手段，而且也是DFACS技术成长的主要标的目的。
DVR则是今朝保证对敏感负荷供电很是有用的串联抵偿装配，由于它经由过程自身的储能单元，能在ms级内将电压跌落抵偿至正常值，是以是抑制动态电压干扰的有用抵偿装配，它主要由储能单元、DC/AC逆变器模块、毗连变压器等部门组成，储能容可凭据用户电压跌落统计数据肯定，逆变器的模块一般采用由IGB组成三相全桥结构，采用PWM调制方式，这类结构控制灵活，便于分相抵偿。因而DVR与消除电压跌落，提高峻型综合性敏感工负荷的供电方面有显著的效果。
SSS一般与D-SACOM配合使用，用于保障由多回自力馈线对重要负荷的供电，当馈线发生故障或电压跌落时，哄骗SSS的快速切换特征(切换速度不到半个周期)将重要负荷切换到由另外一条馈线供电，切换时代D-SACOM可向重要负荷提供1～2个周期的电能支持。
5结语
随着电力电子与信息技术在社会各个领域的渗透运用，一些新型电力负荷对电能的要求不竭提高，电能已成为电力企和用户配合关心的课题。现今威胁信息电力的主要干扰除谐波、电压波动外，更多为人们所关注的将是电压暂降和短时断电、电压闪变等动态电能问题；我们应因地制宜，有的放矢，在深进调研、现场实测、实验研究的根蒂根基上，运用FACS和电力新技术对电能进行系统化地综合抵偿，这将是从此解决电能问题的基本途径。
参考文献
［1］韩英铎，严干贵等信息电力与FACS及DFACS技术［J］，电力系统自动化，2002,(10)：1～8
［2］林海雪电力系统中电压暂降和短时断电［J］供用电，2002，19(1):9～13
［3］林海雪现代电能的基本问题［J］电网技术，2001，25(10)：5～12；
［4］肖远，李澍森开放竞争的电力市场与电能［J］，华中电力，2001,14(5):61～64 |
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